月晕(以及类似的日晕)中的22度光环确实是由卷云中微小的六边形冰晶对光线的折射造成的。以下是详细解释:
冰晶的形状:在高空卷云中,水蒸气在极低温度下凝结形成的冰晶通常是六角柱体。这意味着它们有六个长方形的侧面(六边形棱柱的侧面)和两个六边形的底面(顶部和底部)。
光线路径:月光(或日光)照射到这些冰晶上。对于形成22度晕的关键路径,光线会:
- 从一个侧面进入冰晶。
- 穿过冰晶内部。
- 从另一个侧面射出。
- 这两个进入和射出的侧面之间的夹角通常是60度。这相当于光线穿过了一个顶角为60度的“棱镜”。
折射的作用:当光线从空气进入冰晶(密度更高的介质)时,会发生折射(光线弯曲)。当光线从冰晶射出再次进入空气时,又会发生一次折射。这两次折射共同作用,使光线的路径发生偏折。
最小偏向角与22度:对于穿过棱镜的光线,存在一个特定的入射角,使得光线穿过棱镜后的总偏折角度最小,这个角度称为最小偏向角。这个最小偏向角的大小取决于:
- 棱镜的顶角:这里是冰晶侧面构成的60度角。
- 棱镜材料的折射率:冰的折射率大约为1.31(对于可见光)。
当我们将60度的顶角和冰的折射率1.31代入棱镜的最小偏向角公式进行计算时,得到的最小偏向角大约就是22度。这意味着,以特定角度(接近产生最小偏向角的角度)穿过冰晶的光线,其偏折角度会集中在22度左右。
光环的形成:
- 卷云中有无数个这样的六边形冰晶。
- 这些冰晶的方向是随机的,在空中各种朝向都有。
- 对于观察者(你)来说,那些其“棱镜”的60度角恰好位于你和月亮之间的冰晶,会将月光以大约22度的角度偏折到你的眼睛。
- 由于冰晶在所有方向上都有,围绕月亮(或太阳)的整个圆周上都会有这样的冰晶满足条件。因此,你看到的是一个以月亮(或太阳)为中心、半径为22度的完整或部分明亮的圆环,这就是22度晕。
总结一下关键点:
- 介质:卷云中的六边形柱状冰晶。
- 关键结构:光线从一个侧面进入,从相隔60度的另一个侧面射出(相当于60度棱镜)。
- 关键光学原理:两次折射导致光线偏折。
- 特定角度:最小偏向角原理使得偏折角度集中在22度左右。
- 随机方向:冰晶方向随机,导致围绕光源形成一个22度半径的圆环。
月晕和日晕的形成原理完全相同,只是因为月光比日光暗得多,月晕通常不如日晕明显和色彩丰富(但有时也能看到颜色)。